Двадцать пятого декабря 2021 года ракета «Ариан-5» подняла в космос телескоп имени Джеймса Уэбба — самую передовую в человеческой истории космическую обсерваторию. Столь сложный и дорогой научный инструмент человечество до сих пор еще не создавало — и уж тем более такое до сих пор не запускали в космос.

Проект нового космического телескопа — от замысла до запуска — растянулся более чем на 25 лет. За это время его бюджет вырос на порядок, и сейчас стоимость создания этого инструмента оценивается в 10–11 миллиардов долларов, что, например, вдвое превышает бюджет сооружения Большого адронного коллайдера. В какой-то момент даже некоторые ученые скептически высказывались о разработке «Уэбба», говоря, что новый космический телескоп съедает слишком большую часть научного бюджета NASA. В 2011 году конгресс едва не прекратил проект, но его удалось отстоять.

И вот телескоп полностью готов. Приближается момент истины: судьба этого колоссального труда решится во время последующего за запуском месяца развертывания сложнейшей конструкции — вплоть до выхода инструмента на расчетную орбиту вокруг точки Лагранжа, в полутора миллионах километров от Земли.

Смена пришла

Телескоп «Уэбб» приходит на смену самому знаменитому астрономическому инструменту — запущенному в 1990 году космическому телескопу «Хаббл». «Хаббл» позволил сделать массу замечательных открытий — это и ускоренное расширение Вселенной, и широкое распространение центральных черных дыр в галактиках, и многочисленные гравитационные линзы, позволяющие уточнить распределение темной материи во Вселенной.

А еще «Хаббл» кардинально изменил образ астрономии в глазах широкой публики. Именно ему мы обязаны теми полноцветными детально прорисованными снимками объектов глубокого космоса, которые сегодня стали такими привычными.

Астрономам, ведущим наблюдения сквозь толщу атмосферы с помощью наземных телескопов, трудно получить снимки такого качества. Во-первых, дрожание воздуха размывает изображение, не позволяя крупным телескопам достигать предельного теоретического разрешения. Впрочем, с этой проблемой за последние 30 лет научились бороться с помощью адаптивной оптики: для компенсации вносимых атмосферой искажений, в реальном времени слегка изгибают зеркало телескопа.

Во-вторых, естественное свечение атмосферы не позволяет видеть слабые объекты, поверхностная яркость которых ниже яркости неба. Все видели, как бледно выглядит днем Луна – ее поверхностная яркость сравнима с фоном дневного неба. Будь она немного слабее, ее бы вовсе не было видно. Точно так же туманности и галактики с низкой поверхностной яркостью невозможно увидеть с Земли, поскольку они тонут на фоне ночного неба. И с этим без вывода телескопа в космос ничего не поделать.

Диаметр главного зеркала «Уэбба» составляет 6,6 метра против 2,4 метра у «Хаббла», а светособирающая поверхность соответственно выросла в шесть с лишним раз — до 25,4 квадратного метра. Однако было бы неправильно считать новый инструмент просто увеличенным «Хабблом». Главное отличие касается рабочего спектрального диапазона. «Хаббл» — это оптический инструмент, работающий прежде всего в видимом диапазоне (плюс ближние ИК и УФ). «Уэбб» будет наблюдать в среднем инфракрасном диапазоне.

1 Одно из изображений, полученное «Хабблом» / NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) и Z. Levay (STScI)

Инфракрасные надежды

Наземные наблюдения ограничены окнами прозрачности атмосферы, которые не очень велики. Оптическое окно прозрачности немного шире диапазона видимого излучения — с длинами волн от 300 до 2000 нанометров. Радиоокно охватывает диапазон от одного миллиметра до 20 метров. В остальной части спектра полноценные наблюдения можно вести только из космоса. Особый интерес для астрофизики представляет инфракрасное излучение, находящееся за оптическим окном прозрачности.

Из-за космологического красного смещения свет далеких галактик смещается в сторону более длинных волн. Из-за этого ни «Хаббл», ни наземные телескопы не могут видеть свет первых появившихся во Вселенной звезд, тех самых, что образовались после Большого взрыва из смеси водорода и гелия еще без примеси тяжелых элементов. Эти звезды, которые относятся к гипотетическому населению III типа, пока еще никто не наблюдал.

Специалисты до сих пор спорят об их особенностях. Многие астрофизики считают, что первичные звезды могли быть значительно массивнее современных, быстро выгорали, обогащая среду тяжелыми элементами, и могли стать родоначальниками центральных черных дыр галактик.

Предположительно, эти звезды начинают рождаться на красном смещении z = 25, и во столько же раз должна вырасти длина волны приходящего от них света: вместо видимого излучения 400–700 нанометров, к нам поступает инфракрасное излучение с длиной волны 10−20 микрометров. Сейчас удается открывать галактики с z чуть больше 10, что соответствует возрасту Вселенной 400–500 миллионов лет, когда звезд уже было много, а их излучение быстро ионизировало межгалактическую среду. Телескоп «Уэбб» позволит заглянуть существенно дальше, вплоть до возраста 150 миллионов лет.

Другая, не менее интересная возможность, которую нам предоставит «Уэбб», — шанс заглянуть внутрь «звездных колыбелей» Галактики.